水利工程類學生水力學計算能力培養(yǎng)研究

高柱

摘 要 水力學計算應用能力的培養(yǎng)是水利工程類學生計算應用能力培養(yǎng)的重要組成部分，作者結合具體實例從計算建模能力，編程能力，商用和開源軟件的使用以及文獻閱讀四個方面，討論了如何多途徑提高學生的水力學計算能力，為其將來的發(fā)展打下良好的基礎。

關鍵詞 水力學 計算應用能力 水利工程

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.02.011

Abstract The capability of computing in hydraulics course is an important part in the capability development of the students in the hydraulic engineering. Incorporating with practical examples， the author discusses how to improve the computing capability by multiple methods which are the modeling capability， programming capability， commercial and open source software and bibliography reading， hoping to pave the road for a better development for the students.

Keywords Hydraulics； computing capability； water conservancy project

0 引言

伴隨著傳統(tǒng)水利向現代水利的轉變，水利工程設計和施工中出現的新問題和新需求對水利工程類學生的計算應用能力提出新的要求，其中的水力學計算應用能力的培養(yǎng)是重要的組成部分，而水力學課程是該能力培養(yǎng)的重要一環(huán)。隨著高校改革的深入，專業(yè)課學時都不同程度地被壓縮，如何在有限的課堂學時中利用好現有的經典水力學教科書，幫助學生培養(yǎng)起相應的知識體系和計算應用能力，同時引導他們利用課外時間對新的技術方法和研究方向有所了解，以便他們在走上工作崗位后，遇到相對陌生的水力學計算問題時，知道如何下手和高效地學習補充相應的內容，盡快解決掉實際問題。這就要求水力學專業(yè)課教師平時要深挖教材，組織好課堂授課內容，多了解行業(yè)和實際工程的應用需求，不斷更新補充教學內容，改進教學手段，既要“授之以魚”，更要“授之以漁”，培養(yǎng)并建立起學生的水力學計算能力。作者結合自己多年的教學體會，從以下幾個方面談談自己的理解。

1 計算建模能力的培養(yǎng)

水力學問題本質就是物理問題，數學是有力的量化工具，水力學問題的良好解決需要將物理和數學兩方面很好地結合，同時工程問題又相當復雜，涉及的影響因素多，如果全部考慮，則可能無解，因此如何簡化問題，提出好的模型，使得數學、物理和工程應用三個方面都能兼顧，得到實用的問題解決方案，就需要學生（未來的工程師）具備良好的計算建模能力，這也是水力學計算能力培養(yǎng)中最重要的部分。

本科生階段，課堂上教師講授的經典內容是可以給學生啟發(fā)的。例如水力學中的恒定總流的能量方程推導過程，就是一個很好的例子?？偭髂芰糠匠绦枰谶^水斷面上對微小流束進行積分，這個積分包括位置頭z，壓頭p/ 和流速水頭u2/2g，如公式（1）所示[1，2]：

初看公式（1）的積分，會覺得從數學上處理起來很困難，因為可能要在一個不規(guī)則的斷面上對一個復雜的流速分布進行積分，經典的處理方法是引入動能修正系數 ，即將水流的分布視為均勻分布，這樣靜壓項z+p/ （測壓管水頭）可以視為常數直接放到積分號的外面，避免了一個復雜的積分過程。學生可能馬上就對流速的斷面分布近似均勻這個前提提出疑問，這時任課老師就應該補充強調，由于水流紊動的存在（可附帶簡要介紹水流的紊動特性），在水利工程中最常見的管流和明渠流中，除了近壁面的極小區(qū)域以外，漸變流過水斷面上的絕大部分流速分布是較均勻的，從而靜壓項z+p/ 可視為常數，這是漸變流的一個基本物理特性，也正是這個特性讓積分過程得到極大簡化。任課教師還可以結合水力學實驗相應章節(jié)的內容和錄像，讓學生更加直觀地體會靜壓項z+p/ 可視為常數這個簡化前提。同時也解釋了在漸變流大多數情況下，動能修正系數 為何取值較?。?.05～1.10），有時候就取1.0，即不需要修正，而不會對工程實際問題的計算精度產生大的影響。通過上述多個知識點的聯合講解，讓學生真實感受到，對一個（工程）計算問題，在滿足工程精度的前提下，如何利用問題自身的物理特性去簡化數學模型和計算，理解和重視起來水力學試驗的重要（靜壓項z+p/ 可視為常數的試驗驗證），以及公式中引入的各種經驗參數（本例中的 ）取值背后所反映的物理數學量化關系。

還是在總流的能量方程中，學生會接觸到局部水頭損失的計算，公式的形式很簡單，就是一個局部水頭損失系數乘上流速水頭，課本的例題和水力學實驗室中的計算問題（小尺度），學生都很好理解，但是當我們向學生提出一個實際的工程問題的時候（大尺度），學生們在應用該基本公式的時候，就顯得信心不足。為此，作者嘗試將實際工程算例引入到課堂中，比如在Aguamilpa大壩的施工期安全分析中，[3]需要計算兩條導流隧洞的過流能力，整個的計算過程就是利用基本的總流能量方程，隧洞截面為16€？6m，長度分別為783m和894m，每條隧洞有兩個轉彎部分（局部水損失的計算），通過講解該工程案例的計算過程，讓學生知道課本上的基本公式是如何應用到實際工程中的，同時也增強了同學們學習專業(yè)外語的積極性。

作者建議充分利用和挖掘教材實例，適當結合工程案例，在有限的課堂教學中激發(fā)本科生專業(yè)課程興趣，引導學生自己去重視和思考如何提升計算建模能力，并動手實踐。

2 編程能力的培養(yǎng)

當前，計算機已經廣泛普及，各種復雜程度的水力學計算問題已經離不開計算機的使用，編程的目的是解決如何將人的想法變成機器程序，高效完成計算任務，這是水力學計算能力中的必要一環(huán)。編程能力的培養(yǎng)同樣也要遵循從易到難的基本教學規(guī)律，本科生對office軟件相對熟悉，因此水力學中的各種試算，比如管道的直徑選擇，明渠斷面參數設計，水面曲線的計算和繪制，都可以通過excel表格完成。老師可以鼓勵學生提交excel表格計算的作業(yè)。當學生感覺到excel表格的輕松和高效時，可以進一步引入VBA（Visual Basic for Applications），或者結合學生已有的MATLAB和C語言課程內容，引導學生利用所學的計算機語言編寫出小程序，解決水力學課后作業(yè)或者實際的工程計算問題，比如自動繪制水面曲線。將做的好的同學的作業(yè)進行大班展示和表揚，增加他們的平時成績，激發(fā)學生的學習積極性。

3 商用和開源軟件的使用

計算流體力學（Computational Fluid Dynamics-CFD）[4]相關內容已經作為主要章節(jié)出現在國外的教科書中，這部分內容，建議讓學有余力并對CFD感興趣的同學，通過課外活動學習完成，比如大學生科技創(chuàng)新活動和數學建模競賽等。本科生有能力掌握商用和開源軟件的基本操作。比如常見的水面曲線的計算繪制，就可以利用DHI Mike軟件完成，恒定水頭的水箱自由出流時間估算，可以利用ANSYS Fluent軟件完成，潰壩的模擬計算可以選擇開源軟件OpenFOAM軟件的自帶算例，接著讓學生將軟件模擬結果與手算成果/簡化模型結果做對比，分析比較不同方法所得結果的差異。目的是讓本科生知道商用和開源軟件的基本使用方法，為將來可能的深入使用打下基礎，也激勵他們去思考仿真計算背后的建模原理和計算方法。

4 文獻閱讀

有關水力學的各種工程案例和計算方法都出現在國內外的主流學術期刊上，其中的英文文獻和主流商用或者開源軟件的界面和幫助文件一般都是英文的，老師應鼓勵本科生旁聽留學生的“水力學”/“流體力學”英文課程，并與各類外語的考級考證相結合，激勵他們提高外語的實際應用能力，逐步培養(yǎng)起他們對專業(yè)外語內容的興趣。一旦本科生跨越了語言障礙之后，他們將更加樂意通過外文資料的閱讀和學習，更快地提升自身的計算程序使用和開發(fā)能力。

5 總結

水力學任課教師可以嘗試從上述四個方面有針對性地逐步培養(yǎng)起學生的水力學計算能力，學生如果能熟練地計算得到水力學問題的正確量化結果，表明學生已經掌握了相關的知識體系和技能，并已經能靈活應用，這是教師們最希望看到的結果。

基金項目：三峽大學教學研究重點項目（J2015002），中國水利水電科學研究院流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室開放基金（IWHR-SKL-201616）

參考文獻

[1] 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室（四川大學）編，吳持恭主編.水力學（第4版）（上冊）[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2] 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室（四川大學）編，吳持恭主編.水力學（第4版）（下冊）[M].北京：高等教育出版社，2008.

[3] Marengo H. Case Study： Dam Safety during Construction， Lessons of the Overtopping Diversion Works at Aguamilpa Dam[J]. Journal of Hydraulic Engineering，2006，132（11）：1121-1127.

[4] Potter Merle C， Wiggert David C， Ramadan Bassem H. Mechanics of Fluids SI Version[M]. Nelson Education，2011.